焦化加热炉在线清焦的设计与实践

作者:魏学军 李出和 胡刚  来源:中国石化工程建设公司 
评论:  更新日期:2018年12月23日

一、概述
随着全世界范围内原油重质化、劣质化趋势的日益加剧,延迟焦化装置作为一种适应性强、投资少的渣油加工工艺,越来越得到炼油行业决策者的青睐。为了尽量降低装置设备投资或利用现有设备提高装置处理量,国外延迟焦化炉操作的苛刻度要大大高于目前国内的操作水平,据资料介绍焦化加热炉出口温度甚至高达505~515℃,焦化炉的烟气出辐射室温度可高达近900℃,以充分利用焦化设备提高液体收率减少焦炭产率,这样焦化炉操作周期达到约3个月左右就必须停炉烧焦,大大影响了装置的开工周期和经济效益。因此在高操作苛刻度条件下如何延长焦化炉的操作周期便成为了人们首要关心的问题,延迟焦化炉在线清焦技术就是在这种背景及要求下应运而生的。
在线清焦技术最早起源于乙烯裂解炉的设计和操作,该技术可以实现在不停炉情况下对炉管内结焦进行有效的清除。经过不断的实践与研究,人们成功地把在线清焦技术应用到延迟焦化炉的设计与操作中,从而使得延迟焦化炉的操作周期得到大幅度延长。

二、 在线清焦的工作原理
采用在线清焦技术的焦化炉一般应采用4管程或6管程,以避免在线清焦时对后续设备操作造成太大的影响。操作时对其中一管程通入蒸汽,其余三管程或五管程正常操作,在线清焦用的蒸汽及清除的焦炭与其它管程的油品一同进入焦炭塔。
在线清焦方法有两种,一种是恒温法,其原理是利用高速流动的水蒸汽对焦垢层的冲刷作用及水蒸汽在高温下与焦炭发生化学反应生成一氧化碳和氢气。该种方法仅可用于结焦时间较短的焦化炉,采用此种方法可有效的去除管内生成的软焦层。当管壁温度达到630℃约3个月之后时,管内焦层已经变硬,采用恒温法进行在线清焦的效果就不是很理想了,此时应当采用变温法。变温法的原理是利用炉管金属与管内焦垢层热膨胀系数的不同,通过快速升高及降低炉管温度,使得焦炭层与炉管剥离。无论采用何种方法,都必须严格控制管壁温度不超过炉管的最高使用温度,并保证清焦管程的蒸汽压力大于或等于其它正常操作的几管程的管内压力,以免热油泄漏到清焦的管程中。在线清焦所需蒸汽量、管壁温度的升降范围及速度应按照焦化炉实际炉管规格、根数、材质进行计算后确定,其操作必须严格按照规定的步骤进行实施,否则有可能造成清焦效果差、炉管堵塞、炉管变形,甚至炉管爆裂等严重的事故。

三、 在线清焦技术的工程设计
1、 对装置工艺设计的要求
1) 在线清焦蒸汽系统的设计
在线清焦时蒸汽的压力应大于走油管程的油品进口压力,开工初期加热炉进口压力一般为1.5~1.8MPa(g),当开工3`6个月,加热炉炉管内已有结焦时,此时加热炉进口压力将提高到2.5~2.8MPa(g), 在线清焦蒸汽的压力应大于3.3MPa(g),通常采用3.5MPa(g)的中压蒸汽。为有效的控制在线清焦炉管的升温和降温速度,清焦蒸汽的温度也有一定的要求,通常采用注入脱氧水来控制蒸汽温度。据国外资料介绍,焦化炉管在线清焦也可以直接用脱氧水作在线清焦介质。在线清焦所用蒸汽量一般为4~8吨/时,不能全部利用多点注汽的管道和仪表,应单独设计在线清焦管道和仪表,在加热炉每路入口设置切断阀和止回阀,每台加热炉可设置一个蒸汽流量调节阀和蒸汽温度调节阀。在线清焦蒸汽管道正常操作时不被使用,在北方地区应充分考虑防冻放凝问题,可以和炉管注汽的第一点相结合。如果加热炉设计有安全联锁系统,在线清焦蒸汽管路设计还应和炉管事故吹扫蒸汽管路设计相结合。
2) 炉出口转油线的设计
加热炉出口转油线的设计是焦化装置配管设计的一个重点和难点,设计不好会出现管线振动或晃动,影响安全生产。采用在线清焦技术时,炉出口转油线的设计不但应考虑正常操作工况,还应考虑在线清焦工况。在线清焦时一路蒸汽出口流量的变化会直接影响加热炉总出口转油线的流量的变化。在线清焦蒸汽的体积流量一般大于该路油品的体积流量,炉出口转油线管径的设计应根据在线清焦和正常操作两种工况来核算,保证两种工况下加热炉出口转油线的两相流流型均满足要求。通常转油线管径的选择应首先考虑正常操作状态下的流型处于最佳,在线清焦时虽然气体流速提高,但对转油线的流型不会有太大的影响。在线清焦管路的蒸汽出口温度变化范围约为400~600℃,为减少在线清焦对炉总管出口温度的影响,在线清焦操作时可适当调整其它管程的处理量和出口温度。
炉出口转油线的设计要考虑管道的热应力及振动,每路出口管应对称布置,两支管油品的混合不应对冲,减少混合时的冲击防止管路振动。
3) 对焦炭塔、分馏塔及后续设备设计的要求
采用线清焦技术,应按在线清焦技术要求确定在线清焦用蒸汽的流量及变化范围,根据在线清焦时焦炭塔内的油气和蒸汽的总流量核算焦炭塔的空塔气体速度,通常采用在线清焦时降低装置处理量15~25%,即加热炉一路走蒸汽另外几路走的油品量不变或适当增加,此时焦炭塔内的油气和蒸汽的总体积流量增加约5~15%,因此在线清焦时焦炭塔内气速不会超标,焦炭塔的设计基本可不考虑在线清焦的影响,但是在线清焦时焦炭塔内的气相的密度会降低,易发生泡沫冒顶和焦粉携带,应及时注入消泡剂。针对分馏塔塔径的确定及塔盘的水力学计算也应按照在线清焦时的气相及液相负荷进行核算,一般情况下对分馏塔的设计不造成大的影响,但是蒸汽量的变化和油气量的减少会引起操作的微量波动,因此设计分馏塔应选择高操作弹性的塔板,以便减少在线清焦时分馏塔的波动,影响产品质量。由于在线清焦用蒸汽全部从分馏塔顶馏出,分馏塔顶的冷却设备应考虑在线清焦用蒸汽的冷凝冷却负荷,同时酸性水泵应能够把线清焦用蒸汽及其他注汽冷凝的含硫污水送出装置。
4) 双向蒸汽-空气烧焦系统的设计
采用在线清焦技术的焦化炉设置双向蒸汽空气烧焦系统是非常必要的。双向烧焦是在加热炉进出口管线分别设置烧焦蒸汽及空气进口接管,实际操作中可由入口至出口进行正常烧焦。当加热炉靠近炉入口部位管内结焦严重、采用正常方向烧焦不能有效清除时,还可由出口至入口进行反向烧焦。当在线清焦操作不当时,脱落的大块焦碳有可能堵塞炉管,此时必须停炉,然后用蒸汽由加热炉盘管进出口反复交替吹扫,以清除堵塞。
2、 对焦化加热炉设计的要求
1) 盘管系统设计
对于采用变温法进行在线清焦的焦化炉,其辐射盘管必须能够承受快速升温降温的操作,并且升降温梯度还必须满足一定的要求,因此炉管的最高使用温度应能达到700℃,炉管材质应选用Cr9Mo或以上级别的材料。由于快速升温及降温过程中炉管各点温度变化的不一致性,辐射盘管一般会出现较为剧烈的热震现象,尤其是升降温梯度较大的情况下,辐射盘管进出口法兰及辐射管架的设计应考虑这部分冲击荷载的影响,否则可能会造成法兰泄漏或管架损坏的事故。
2) 燃烧器设计
燃烧器应能满足炉膛快速升温和降温操作的要求,每个燃烧器均应设置长明灯。应保证在主火嘴燃料全部切断时长明灯不熄灭,并且在快速打开主火嘴燃料时,燃烧器主火嘴应能迅速点燃,火焰形状稳定不飘散,并且能达到正常发热量的要求。
3) 炉衬设计
为满足炉膛快速升温和降温操作的要求,辐射室应选用热容量较低的耐火材料,如陶瓷纤维结构的炉衬,尽量不要采用砖结构或轻质浇注料衬里结构的炉衬。由于热容量高的耐火材料的蓄热量较大,会使得炉膛升温和降温速度达不到要求,这样会对在线清焦的效果产生不利的影响。
4) 测量仪表
对于指导在线清焦操作最为重要的测量仪表是管壁热电偶。为保证测出的管壁温度的准确性,宜选用刀刃式管壁热电偶,并且测点端部应设置防辐射屏蔽罩,其内部应填充松散的高铝纤维。管壁热电偶应布置在炉管的向火面,并且应正对燃烧器,以测得最高管壁温度。另外每管程辐射盘管应设置有足够数量的管壁热电偶,并尽量在炉管长度方向上均匀布置。
另外工艺介质每管程进出口均应设置压力表和热电偶,并且应引至操作室,以正确指示清焦过程中各管程的进出口温度和压力。
5) 烟囱及余热回收系统设计
为保证快速升降温过程中燃烧器操作的稳定性及可靠性,在线清焦操作时加热炉应处于自然通风操作状态,这就要求余热回收系统能在加热炉正常操作时处于停运状态,因此空气预热器应放置在地面,并应在去往空气预热器的热烟道上设置隔断挡板,此时热烟气由炉顶烟囱直接排入大气,烟囱高度应满足自然通风操作时抽力的要求。

三、在线清焦技术的实践及工程应用
2001年2月,上海石化股份有限公司100万吨/年延迟焦化装置首次成功地实施了加热炉在线清焦。本次在线清焦是在美国PETRO-CHEM公司的专家现场指导下完成的,采用了变温法工艺对焦化炉四管程中的一组盘管进行了实际操作,整个过程共进行了3次变温操作,共耗时约20小时。操作完毕后加热炉管壁温度得到了有效的改善,其中管壁温度下降最大值为101℃,管壁温度在630℃以上各点平均下降69.45℃, 管壁温度在570℃~629℃范围内各点平均下降23.3℃, 管壁温度在529℃以下各点平均下降14.5℃,另外加热炉入口压力也明显降低。
2004年2月,高桥石化公司140万吨/年延迟焦化装置也对加热炉进行了变温法在线清焦,但没有达到预期的效果,其主要原因如下:
* 燃烧器燃烧状况不稳定,无法实现快速升降温操作
* 升温降温梯度不够大
* 中间恒温时间过短,未能有效地去处管内软焦层
* 由于结焦时间较短,可能采用恒温法更合适
本次在线清焦是国内首次独立实施的一次操作,尽管没有取得预期的效果,但积累了相当多的经验和教训,为今后的进一步研究和实践打下了深厚的基础。

四、 结束语
虽然在线清焦技术在国内的部分焦化装置设计中被采用,但由于国内焦化加热炉的反应苛刻度较低,炉管内的结焦较少,该技术未被广泛使用。在线清焦设计技术已经成熟,但使用经验不足,使该技术未得到进一步的发展。随着原油价格的提高及油品和焦炭价差的增大,提高焦化加热炉的反应苛刻度,减少焦炭产率将会逐步得到重视,在线清焦技术对延长加热炉的连续运行周期将发挥重要作用。

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